(57)【要約】  【課題】  駆動電圧が低くなってもなお駆動電圧に応じた速度で可動子が確実に送られるようにした位置決め装置を提供する。  【解決手段】  駆動脚２１の伸縮変形部２３を伸張させ、剪断変形部２４を剪断変形させてステージ１１を送るようにした位置決め装置において、とくに伸縮変形部２３の駆動回路中に振幅加算器７８を設け、この振幅加算器７８によって駆動電圧の振幅を加算するとともに、振幅が０の状態から所定の値をもつ状態に変化させ、これによって他方の駆動脚２２の伸縮変形部２３を収縮させて剪断変形部２４を送り方向とは逆方向に確実に戻り変形させる。【選択図】  図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
伸縮変形部と剪断変形部とを有する駆動脚を備え、前記伸縮変形部を伸張させて前記駆動脚の先端部を可動子または固定側と接触させた状態で前記剪断変形部を送り方向または逆方向に剪断変形させて可動子を送るようにした位置決め装置において、
前記伸縮変形部と前記剪断変形部とに互いに位相差を有する正弦波状の電圧を印加するとともに、
前記伸縮変形部に印加される電圧を振幅加算手段によって加算することを特徴とする位置決め装置。
【請求項２】
前記伸縮変形部と前記剪断変形部とに印加される電圧の位相差がπ／２であることを特徴とする請求項１に記載の位置決め装置。
【請求項３】
前記伸縮変形部に正弦波状の電圧が印加されるとともに、前記振幅加算手段によって振幅指令値が０のときの電圧が所定の値を有するように電圧の振幅が加算されることを特徴とする請求項１に記載の位置決め装置。
【請求項４】
前記駆動脚がばねによってその先端部が可動子または固定側に押圧されるとともに、前記正弦波状の電圧の最大振幅のときに前記伸縮変形部が発生する力が前記ばねの押圧力より大きくなることを特徴とする請求項１に記載の位置決め装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は位置決め装置に係り、とくに伸縮変形部と剪断変形部とを有する駆動脚を備え、このような駆動脚の伸縮変形部と剪断変形部の変形を利用して可動子を送るようにした位置決め装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本願発明者等は、特開２００１−２９３６２９号公報、特開２００１−２９３６３０号公報、特開２００２−１８７０９２号公報、特開２００３−０４６１５９号公報等によって、精密位置決め用ステージおよびこのステージに用いて好適な位置決め装置あるいはアクチュエータを提案している。このような位置決め装置はいわゆる非共振型超音波モータを利用したものであって、例えば半導体ステッパにおいて、とくにウエハの高精度の位置決めに好適なものである。
【０００３】
このような位置決め装置を用いたステージ１１は例えば図１１に示すように一対のレール１２によってそれらの長さ方向に移動自在に支持される。そして駆動ユニット１８の取付け台４６に取付けられた一対の駆動脚２１、２２によってステージ１１に取付けられているセラミック板２７を摩擦力でその長さ方向に送るようにしている。すなわち一方の駆動脚２１の伸縮変形部２３を伸張させた状態で剪断変形部２４を送り方向に剪断変形させるとともに、このときに他方の駆動脚２２の伸縮変形部２３を収縮させ、その剪断変形部２４を送り方向とは逆方向に剪断変形させて次の送りに備える。このような動作を一対の駆動脚２１、２２について交互に繰返すことによって、ステージ１１がレール１２に沿ってその長さ方向に送られる。
【０００４】
ここで一対の駆動脚２１、２２の伸縮変形部２３および剪断変形部２４には互いに位相がπ／２ずれた正弦波状の電圧が印加される。この電圧とステージ１１の送り速度との関係は図１６に示される。すなわち駆動脚２１、２２の伸縮変形部２３と剪断変形部２４とに印加される電圧が±６０ボルトの範囲内においては、ステージ１１がほとんど移動せず、その範囲が不感帯になっていた。
【０００５】
上記駆動脚２１、２２の駆動によるステージ１１の位置決めに比例積分微分（ＰＩ）制御を適用する場合において、精密かつ良好な応答性を得るためには比例項の定数と積分項の定数とを系の安定数値内でいかに大きく設定できるかが重要なポイントになる。しかし上述のように±６０ボルトもの不感帯領域が存在すると、比例項と積分項の定数をいくら大きな値にしても不感帯領域での帰還量は０である。つまりステージは動作しない。そこで僅かの位置誤差でステージが動作するような過大な比例定数を設定すると、不感帯を外れたところでは制御器が過補償になってしまう。このような過補償は、制御対象の不必要に過大な反応として現われ、制御動作が不安定になって発散する等の制御不能の状態を生ずる。そこでとくに比例要素の比例定数を小さく抑え、主たる制御を積分要素に依存する位置決めを行なうことになる。このような制御系は、制御の応答性を低下させ、レスポンスが悪化する問題がある。
【０００６】
本願発明者等が図１５に示すステージ１１の駆動ユニット１８について種々解析を行なった結果、図１６に示す不感帯を発生する原因が、一方の駆動脚２１の剪断変形部２４が剪断変形を行なっている際に、他方の駆動脚２２の剪断変形部２４が逆方向に剪断変形を起すときに、該他方の駆動脚２２の先端部とセラミック板２７との間に干渉を生じ、これによってとくに駆動電圧が低い場合にステージ１１がほとんど動かなくなる事実を見出した。すなわち一対の駆動脚２１、２２が交互に送り動作と戻し動作を行なう際に、戻し動作を行なう駆動脚２２の先端部が駆動脚２１による送り動作を阻害することによって、ステージ１１が移動しないことが判明した。
【特許文献１】特開２００１−２９３６２９号公報
【特許文献２】特開２００１−２９３６３０号公報
【特許文献３】特開２００２−１８７０９２号公報
【特許文献４】特開２００３−０４６１５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本願発明の課題は、駆動電圧が低くなってもなお駆動電圧に応じた送り動作が可能な位置決め装置を提供することである。
【０００８】
本願発明の別の課題は、駆動電圧が低い領域においてなおほとんど不感帯を発生しないようにした位置決め装置を提供することである。
【０００９】
本願発明の別の課題は、比例積分系の制御動作を行なう場合において、とくに積分項の定数を大きくすることなくしかも良好な応答性を確保できるようにした制御系を有する位置決め装置を提供することである。
【００１０】
本願発明のさらに別の課題は、比例積分系の制御を行なう場合において、とくに比例項の比例定数と積分項の比例定数とを大きくすることなく高い応答性をもって位置決めを行なうことが可能な位置決め装置を提供することである。
【００１１】
本願発明の上記の課題および別の課題は、以下に述べる本願発明の技術思想および実施の形態によって明らかにされる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願の主要な発明は、伸縮変形部と剪断変形部とを有する駆動脚を備え、前記伸縮変形部を伸張させて前記駆動脚の先端部を可動子または固定側と接触させた状態で前記剪断変形部を送り方向または逆方向に剪断変形させて可動子を送るようにした位置決め装置において、
前記伸縮変形部と前記剪断変形部とに互いに位相差を有する正弦波状の電圧を印加するとともに、
前記伸縮変形部に印加される電圧を振幅加算手段によって加算することを特徴とする位置決め装置に関するものである。
【００１３】
ここで前記伸縮変形部と前記剪断変形部とに印加される電圧の位相差がπ／２であってよい。また前記伸縮変形部に正弦波状の電圧が印加されるとともに、前記振幅加算手段によって振幅指令値が０のときの電圧が所定の値を有するように電圧の振幅が加算されてよい。また前記駆動脚がばねによってその先端部が可動子または固定側に押圧されるとともに、前記正弦波状の電圧の最大振幅のときに前記伸縮変形部が発生する力が前記ばねの押圧力より大きくてよい。
【発明の効果】
【００１４】
本願の主要な発明は、伸縮変形部と剪断変形部とを有する駆動脚を備え、伸縮変形部を伸張させて駆動脚の先端部を可動子または固定側と接触させた状態で剪断変形部を送り方向または逆方向に剪断変形させて可動子を送るようにした位置決め装置において、伸縮変形部と剪断変形部とに互いに位相差を有する正弦波状の電圧を印加するとともに、伸縮変形部に印加される電圧を振幅加算手段によって加算するようにしたものである。
【００１５】
従ってこのような位置決め装置によれば、剪断変形部に印加される電圧が振幅加算手段によって加算されることになり、このために伸縮変形部が発生する伸縮方向の力が増大し、このような大きな力によってとくに剪断変形部を戻し方向に剪断変形させるときの戻し動作が確実に行なわれるとともに、このときに剪断変形部を可動子または固定側から確実に離間させることができ、これによって戻し変形を行なう剪断変形部が送り変形を行なう剪断変形による送り動作を阻害することがなくなる。よって駆動電圧が低い場合にも、確実な送り動作による位置決めが達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下本願発明を図示の実施の形態によって説明する。図１は本実施の形態の位置決め装置を示すものであって、この位置決め装置は例えば半導体ウエハの製造過程におけるステッパの位置決め用ステージを構成する。ステージ１１は一対のレール１２によってその長さ方向に移動自在に支持される。そしてステージ１１は側部に設けられている駆動ユニット１８の一対の駆動脚２１、２２によって上記レールの長さ方向に移動されるようになっている。
【００１７】
一対の駆動脚２１、２２はそれぞれ伸縮変形部２３と剪断変形部２４とを備えている。一方の駆動脚２１の伸縮変形部２３が伸張した状態で先端側の剪断変形部２４を剪断変形させると、セラミック板２７が摩擦力によって上記剪断変形部２４の変形方向に送られる。このときに他方の駆動脚２２の伸縮変形部２３が収縮し、先端側の剪断変形部２４が送り方向とは逆方向に剪断変形し、次の送り動作に備える。このような一対の駆動脚２１、２２の交互の動作の組合わせによって、ステージ１１の送り動作が行なわれる。
【００１８】
ステージ１１には反対側の側部にリニアスケール２８が取付けられ、このリニアスケール２８上の目盛を検出ヘッド２９によって読出すとともに、読出した値をコントローラ３２に供給する。コントローラ３２はコンピュータを含む制御手段から構成され、上記駆動ユニット１８の一対の駆動脚２１、２２の駆動制御を行なうものである。また上記コントローラ３２には操作用パソコン３３が接続される。
【００１９】
次に駆動ユニット１８の駆動脚２１、２２の取付け構造について図２〜図６によって説明する。駆動ユニット１８をベース上に取付けるための取付け台４６が設けられている。取付け台４６はその左右にそれぞれ２本ずつのボルト挿通孔４７を備え、このようなボルト挿通孔４７を挿通するボルトによってベース上に固定されるようになっている。また取付け台４６の前面側には凹部４８が形成されており、この凹部４８の部分に駆動脚２１、２２が配置されるようになっている。
【００２０】
凹部４８の表面であって前面側の部分には、例えば厚さが０．２ｍｍのステンレス鋼板（ＳＵＳ３０４）４９が張設されている。そしてこのようなステンレス鋼板４９上に支持ブロック５０が固着されており、この支持ブロック５０上に４本の駆動脚２１と同じく４本の駆動脚２２とが２列に配列されて取付けられている（図２および図３参照）。
【００２１】
支持ブロック５０の背面側であってステンレス鋼板４９が接合される部分には４つの円形の凹部５４が形成され、これらの円形の凹部５４にはそれぞれコイルばねから成る押圧ばね５５が挿入されている。そしてこのような押圧ばね５５は上記ステンレス鋼板４９に形成された円形の開口５６を挿通するようになっている。
【００２２】
押圧ばね５５の背面側の端部はばね受け５７によって受けられるようになっている。ばね受け５７は背面側へ突出するようにボルト５８を備え、このボルト５８が取付け台４６に形成されている雌ねじ孔５９に螺合されている。従って雌ねじ孔５９に螺合するボルト５８のねじ込み量を調整することによって、ばね受け５７の軸線方向の位置が調整されるようになり、押圧ばね５５による支持ブロック５０の押圧力を任意に調整できるようになる。
【００２３】
次に以上のような構成のステージ位置決め装置のステージ１１の送り動作について説明する。図８は駆動ユニット１８によってステージ１１を駆動する機構を原理的に示している。ここで駆動ユニット１８の駆動脚２１、２２の伸縮変形部２３および剪断変形部２４は互いに位相がずれた状態で交互に作動されるようになっており、これら一対の駆動脚２１、２２の先端部が図１に示すステージ１１の可動子２７を蹴るようにしてステージ１１を例えばＹ軸方向に送るようにしている。
【００２４】
駆動脚２１、２２の伸縮変形部２３は図７に示すように積層方向に分極される。これに対して剪断変形部２４は積層方向とは直交する横方向に分極される。そしてこれらの伸縮変形部２３と剪断変形部２４とにそれぞれ積層方向の両側から電圧を印加することによって、伸縮変形部２３がその積層方向に伸縮変形する。これに対して剪断変形部２４は横方向に剪断変形を生ずることになる。
【００２５】
このような伸縮変形部２３と剪断変形部２４との変形は、図８に示すように、互いに位相がπ／２ずれた正弦波状の電圧を印加することによって行なわれる。そしてこのような電圧の印加のために、図９に示すコントローラ３２が正弦波状の電圧を発生する。しかもコントローラ３２は図１０に示すように、比例積分微分制御を行なうようにしており、目標位置と現在位置との偏差をコンパレータで比較するとともに、偏差Ｅｎ  を比例項と積分項と微分項とにそれぞれ入力する。さらに目標位置に関する情報から目標速度を速度フィードフォワード項に入力する。そして比例項、積分項、微分項、および速度フィードフォワード項の出力を加算器で加算する。そして加算された値に１／ｋの定数を掛ける乗算の演算を行なうとともに、この演算の出力電圧を上記駆動脚２１、２２に制御出力として加える。
【００２６】
次に上記コントローラ３２のとくに伸縮変形部２３と剪断変形部２４の駆動回路について説明すると、図１１に示すように伸縮変形部２３の駆動部は周波数位相変換器６３と、この変換器６３の下段に接続されている位相積算器６４と、積算器６４の下段に接続される位相振幅変換器６５と、Ｄ／Ａ変換器６６と、演算増幅器６７とから構成される。
【００２７】
これに対して剪断変形部２４の駆動部はπ／２の位相情報を発生する発生手段７０と、このπ／２の位相情報と位相指令とを加算する加算器７１と、位相加算器７２と、位相振幅変換器７３と、この位相振幅変換器７３の出力をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器７４と、演算増幅器７５とを備えている。さらにここでは振幅加算器７８が設けられ、この振幅加算器７８が振幅加算指令に応じて、伸縮変形部２３に印加される電圧に対して振幅加算を行なうようにしている。
【００２８】
図１０の制御出力が周波数指令として周波数位相変換器６３に供給される。周波数位相変換器６３は上記周波数指令に応答して所定の周波数のパルスを位相積算器６４に供給する。従って積算器６４は上記パルスの数をカウントするとともに、この積算値を保持する。そして保持された積算値に基いて位相振幅変換器６５が積算値に応じた振幅をテーブルから読出してその振幅を出力する。従ってＤ／Ａ変換器６６は変換器６６で発生する離散化された正弦波をＤ／Ａ変換してアナログの正弦波にし、演算増幅器６７に供給する。そして演算増幅器６７が所定の倍率、例えば１０倍に増幅した後に伸縮変形部２３の電極に印加する。しかもこのような動作の際に、とくにＤ／Ａ変換器６６に対して、振幅加算器７８によって振幅指令に応じた振幅の加算が行なわれる。
【００２９】
これに対して剪断変形部２４に加える電圧は、π／２の位相情報７０を加算器７１に供給する。なおこのときに外部から別の位相情報を印加すると、この位相情報が加算器７１で加算される。なお通常は加算器７１には位相指令は与えられず、０になっている。そして位相加算器７２が位相積算器６４の出力を加算する。従って伸縮変形部２３に加えられる位相に対して位相がπ／２だけ進んだ積分値を位相加算器７２が発生する。従って位相振幅変換器７３は上記伸縮変形部２３に加えられる正弦波に対して位相がπ／２だけ進んだ余弦波を離散化されたパルスとして発生する。そしてこのようなパルスをＤ／Ａ変換器７４でアナログ信号に変換するとともに、演算増幅器７５によって例えば１０倍に増幅する。従って増幅された余弦波状の電圧が伸縮変形部２３に印加される。
【００３０】
図１２は図１１に示す回路から成る駆動部によって駆動される伸縮変形部２３と剪断変形部２４とを有する駆動脚２１、２２を用いた位置決め装置による駆動の状態を示しており、駆動脚２１、２２に対する印加電圧に対するステージ１１の移動速度を示している。この移動速度を従来の図１６に示す移動速度と比較すれば明らかなように、とくに低電圧の領域における移動速度が０の範囲が非常に狭くなる。すなわち移動速度がほぼ０になる不感帯が非常に狭くなって、駆動電圧が低くてもステージ１１が印加される駆動電圧に応じた速度で移動されることが明白に示される。
【００３１】
このように不感帯が狭くなることにより、振幅指令値に対して０からの線型性が確保される。それによって小さな値に設定せざるを得なかった比例項の定数Ｐｏ  や積分項の積分定数Ｉｏ  を大きな値に設定することが可能になる。そして振幅指令値に対する線型性が確保されることから、定速度性能の改善に寄与する微分項の微分定数Ｄｏ  をも大きな値に設定できるので制御が安定化し、さらには制御系が発散して制御不能な状態に陥ることもない。
【００３２】
図１３Ａはとくに図１０においてコンパレータに対して与えられる目標値情報を示しており、このような目標値情報を与え、図１０に示す制御系によって実際に図１のステージ１１の実軌道を測定したところ、同図Ｂに示すようなグラフが得られた。このグラフにおいてとくに目標値近傍に至った後から目標値までの僅か数１００ｎｍの移動時間が非常に短縮化された。これは振幅指令値０の近傍での僅かな振幅指令値に対する線型応答性の実現により、適正な帰還定数が設定できたことによる。
【００３３】
図１４は図１１に示す振幅加算器７８による加算電圧と静定時間の関係を示しており、振幅加算器７８による電圧の加算値が０ボルトの場合には静定時間が１５０〜２２０ｍｓの間に存在するのに対し、電圧を高くするに従って静定時間が短縮することが示されている。なお図１４において縦軸は頻度を示しており、１００回の試行に対して静定時間の発生の頻度を測定している。とくに振幅加算器７８による加算電圧が１００ボルトの場合には、静定時間が３０〜７０ｍｓの間に集中し、伸縮加算電圧が０ボルトの場合に比べて大幅な静定時間の短縮が図られたことが明確に示されている。このことはとくに伸縮変形部２３に対する振幅加算器７８による電圧の印加が、応答性の向上に対して極めて有効であることを明確に示している。
【００３４】
以上本願発明を図示の実施の形態によって説明したが、本願発明は上記実施の形態によって限定されることなく、本願に含まれる発明の技術的思想の範囲内において各種の変更が可能である。例えば上記実施の形態は、半導体ステッパのステージの位置決めのための位置決め装置に関するものであるが、本願発明はその他各種の位置決めに広く利用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本願発明は各種の位置決めに用いて好適な位置決め装置に係り、とくに高精度の位置決めに好適に利用される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】ステージの駆動系のシステム構成を示すブロック図である。
【図２】駆動ユニットの斜視図である。
【図３】駆動ユニットの正面図である。
【図４】駆動ユニットの横断面図である。
【図５】駆動ユニットの縦断面図である。
【図６】駆動ユニットの分解斜視図である。
【図７】駆動脚の要部拡大斜視図である。
【図８】駆動脚に対する電圧の印加と変形の動作とを示す正面図である。
【図９】制御システムを示すブロック図である。
【図１０】システムの制御系の構成を示すブロック図である。
【図１１】伸縮変形部および剪断変形部の駆動回路の回路構成を示すブロック図である。
【図１２】駆動電圧に対するステージの移動速度を示すグラフである。
【図１３】駆動プロファイルとステージの実軌道とを示すグラフである。
【図１４】加算電圧に応じた静定時間の頻度を表わすグラフである。
【図１５】従来のステージの駆動部の要部平面図である。
【図１６】駆動電圧に対するステージの移動速度を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３７】
１１  ステージ
１２  レール
１８  駆動ユニット
２１、２２  駆動脚
２３  伸縮変形部
２４  剪断変形部
２７  セラミック板
２８  リニアスケール
２９  検出ヘッド
３２  コントローラ
３３  操作用パソコン
３５  インタポレータ
４６  取付け台
４７  ボルト挿通孔
４８  凹部
４９  ステンレス鋼板
５０  支持ブロック
５４  円形の凹部
５５  押圧ばね
５６  開口
５７  ばね受け
５８  ボルト
５９  雌ねじ孔
６３  周波数位相変換器
６４  位相積算器
６５  位相振幅変換器
６６  Ｄ／Ａ変換器
６７  演算増幅器
７０  π／２位相情報
７１  加算器
７２  位相加算器
７３  位相振幅変換器
７４  Ｄ／Ａ変換器
７５  演算増幅器
７８  振幅加算器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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